基于端口电特性的IGBT模块可靠性研究

自从工业革命发生以来,人类科技呈爆炸式发展,致使以煤和石油为主的化石燃料的消耗逐年增加,也因此导致了全球范围内的环境问题。因此,在最近几十年,以获得清洁能源和保护环境为宗旨,可再生绿色能源革命已在许多国家被唤醒和引起足够的重视,尤其是风力发电。然而,据工业调查结果显示,作为风力发电系统的核心部分,功率变流器是最容易失效的部分之一,其高失效率在很大程度上是由于功率器件失效所导致。因此亟需提出可提高功率器件可靠性的策略。功率器件的失效在很大程度上是由于长期功率波动引起热应力与电应力,进而在模块内部产生机械应变,致使功率器件封装失效。基于此,目前研究功率器件可靠性的方法主要可分为三类:1)根据功率器件老化失效因子或者物理特性建立寿命预测模型,在特定应用环境下,对其寿命进行评估;2)结温波动是致使功率器件老化失效最关键的因素,因此在功率器件运行过程中,通过改进变流器控制算法,控制结温在安全范围内波动,基于此类热管理的方法可以延长功率器件的工作寿命;3)在功率器件运行过程中,对其老化特征量进行实时监测,可对其老化失效时间进行提前预警,防止导致系统级的失效,提高变流器系统的可靠性。在上述三类方法的基础上,本文着重于研究基于IGBT模块端口电特性的提高可靠性的方法。本文主要工作如下:在建立寿命预测模型和研究热管理策略时,实时获得准确结温信息是其关键一步,甚至对于一些状态监测方法,结温信息也是非常重要的。因此本文在现有结温测量方法的基础上,提出了基于端口电特性的不受模块老化影响、易于实时测量的新温敏电参数,对实时结温进行更为可靠、更为准确的估计。首先,本文提出了基于栅极电压开通密勒平台和栅-主发射极电压关断反向跳变峰值两种温敏电参数,然后通过实验数据,推导出所提温敏电参数与结温的数学表达式,并在变流器中与红外测温仪的测量结果进行了对比,验证了所提方法的可行性和准确性,最后对比分析了所提温敏电参数与其他温敏电参数的优缺点。研究结果表明:所提温敏电参数具有很好的温敏感度和温线性度,能够在变流器运行中实时测量获得,且受键合线脱落的影响非常小。目前,在状态监测方法研究中使用的老化特征量多为IGBT模块的电信号,而大多数电信号受模块老化影响的同时,也会因结温的变化而变化,并且对键合线脱落的敏感度不高。这就使得在变流器运行过程中,对状态监测方法的使用造成了一定的局限性。为了解决此问题,本文根据IGBT模块的电信号特性,提出了不受结温波动影响的老化特征量,使得在监测IGBT模块健康状态过程中,不需要考虑结温波动的影响。首先,本文提出了一种根据模块关断特性计算键合线等效电阻的方法,该方法可在一定温度波动范围内辨识出单根键合线的脱落。然后本文从理论上分析了IGBT模块传输特性曲线与键合线脱落的关系,根据传输特性曲线提取出夸导值和一个交叉点,该交叉点为不同结温下传输特性曲线的交叉点。设计了可在变流器停机时快速准确测量传输特性曲线的电路,通过与数据手册中传输特性曲线的对比,验证了所提测量电路的准确性。最后在不同结温、不同键合线剪断根数情况下,对所提老化特征量进行了全面测量。研究结果表明:在变流器停机时对壳温和夸导进行同时测量,然后将夸导归一化到同一壳温值下,即可在很大程度上消除温度对夸导的影响,但是其会随着键合线的脱落而减小;不同结温下传输特性曲线的交叉点本身并不受结温的影响,但是其也会随着键合线的脱落而下降。